PEMILIHAN GEOMETRI ANTENA WIRE BOW-TIE MENGGUNAKAN SIMULASI FDTD3D PADA RENTANG FREKUENSI MHz. Ringkasan TUGAS AKHIR

Transkripsi

1 PEMILIHAN GEOMETRI ANTENA WIRE BOW-TIE MENGGUNAKAN SIMULASI FDTD3D PADA RENTANG FREKUENSI MHz Ringkasan TUGAS AKHIR Oleh: Ryan Himawan Kelompok Keilmuan Teknik Telekomunikasi PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 ABSTRAKSI Antena meupakan bagian yang sangat penting bagi sistem GPR. Antena untuk aplikasi GPR haus didesain untuk meadiasikan pulsa duasi pendek ke tanah dan meneima pulsa-pulsa yang dihambukan oleh objek-objek dibawah pemukaan tanah. Oleh kaena itu antenna GPR haus memiliki bandwidth yang sangat leba (Teknologi Ulta Wideband). Pada tugas akhi ini penulis akan memilih geometi dai antena wie bow-tie dengan dua spesifikasi bebeda pada entang fekuensi MHz (fc=850 MHz) dengan melakukan simulasi menggunakan pogam FDTD3D. Pada simulasi menggunakan softwae FDTD3D ini akan dilihat espon pulsa antena wie bow-tie pada titik pengamatan 5 dan 10 cm dai boadside antena untuk mengetahui besaan gafik medan listik dan magnitudenya. Aga mendapatkan gafik yang lebih baik atau signifikan (peubahan amplituda lebih baik dai LTR) maka wie bowtie dipasangi esisto sebanyak 25 buah setiap wienya. Hasilnya kineja (gafik) antena menjadi lebih baik ditandai dengan pebandingan penguangan ampitude medan (Epp) tehadap bekuangnya Late Time Ringing (LTR) menjadi lebih besa. Kata kunci: antena GPR, antena tansient, impulse GPR, duasi pulsa, FDTD PENDAHULUAN Secaa umum antena dapat didefinisikan sebagai stuktu tansisi antaa gelombang tebimbing dengan gelombang bebas, atau sebaliknya. Antena dikatakan meupakan sebuah bentuk tansisi dai gelombang elektomagnetik yang dihasilkan oleh pealatan penghasil gelombang elektomagnetik lalu disalukan melalui suatu saluan tansmisi tetentu yang digunakan sebagai pembimbing gelombang tesebut, dengan gelombang elektomagnetik bebas yang meupakan gelombang elektomagnetik sebenanya yang akan diteima oleh antena lain yang befungsi sebagai peneima. Sedangkan menuut definisi yang tedapat pada The IEEE Standad Definitions of Tems fo Antenas (IEEE Std ), yaitu definisi antena adalah suatu alat yang digunakan untuk meadiasikan atau meneima gelombang adio. Dai sini telihat bahwa suatu stuktu dikatakan antena adalah ketika stuktu tesebut dapat befungsi sebagai peneima maupun, meadiasikan gelombang adio. Sepeti sistem ada umumnya, sistem GPR tedii atas bagian pengiim (tansmitte), yaitu antena yang tehubung ke sumbe pulsa, dan bagian peneima (eceive), yaitu antena yang tehubung ke unit pengolahan sinyal dan cita. Adapun dalam menentukan tipe antena yang digunakan, sinyal yang ditansmisikan dan metoda pengolahan sinyal tegantung pada bebeapa hal yaitu: Jenis objek yang akan dideteksi Kedalaman objek Kaakteistik elektik medium tanah Dai poses pendeteksian sepeti diatas, maka akan didapatkan suatu cita dai letak dan bentuk dai objek yang teletak dibawah tanah.

3 Untuk menghasilkan pendeteksian yang baik, suatu sistem GPR haus memenuhi empat pesyaatan sebagai beikut: Kopling adiasi yang efisien kedalam tanah Penetasi gelombang elektomagnetik yang efisien Menghasilkan sinyal dengan amplituda yang besa dai objek yang dideteksi Bandwidth yang cukup untuk menghasilkan esolusi yang baik memenuhi entang fekuensi yang dihaapkan yaitu MHz. Optimasi ini dilakukan dengan dua antena yang bebeda pemitivitasnya, yaitu ε = 4.5 dan ε = 16. Kemudian untuk menguangi late time inging yang tejadi, kedua tipe antena ini selanjutnya akan dibei esisto di lengan (wing) antenanya. METODE FDTD Metode finite-diffeence time domain (FDTD) Antena meupakan bagian yang sangat penting bagi sistem GPR haus didesain untuk meadiasikan pulsa ke tanah dan meneima pulsa-pulsa yang dihambukan oleh objek-objek di bawah pemukaan tanah. Oleh kaena itu, antena GPR haus memiliki bandwidth yang sangat leba (Ulta Wideband) dengan kaakte fasa linea dan polaisasi konstan. Sedangkan menuut definisi yang dikeluakan oleh Defense Advanced Reseach Pojects Agency (DARPA) pada tahun 1990, ulta wideband meupakan sistem dan sinyal yang factional-bandwidth-nya lebih besa atau sama dengan 25%. Sedangkan factional bandwidth itu sendii didefinisikan sebagai beikut : 2( fh fl) Factional Bandwidth = 25% ( fh + fl) dengan f H didefinisikan sebagai batas fekuensi tetinggi dan f L didefinisikan sebagai batas fekuensi teendah pada 10 db dai spektum sinyal yang digunakan. Pada tugas akhi ini penulis akan mencoba untuk mengoptimasikan geometi dai antena wie bow-tie menggunakan simulasi FDTD3D, sehingga didapatkan dimensi dan geometi antena wie bow-tie yang meupakan metode yang paling popula dan paling banyak digunakan dalam simulasi elektomagnetik. Metode ini petama kali dipekenalkan oleh Kane S Yee pada tahun metode FDTD meupakan pendekatan untuk menyelesaikan pemasalahan pesamaan Maxwell melalui diskitisasi domain waktu dan domain uang. Meskipun Yee mempublikasikan metode FDTD pada tahun 1966, namun metode tidak langsung mendapat populaitas, pesoalan utamanya adalah ketebatasan teknologi kompute (kecepatan kompute dan kapasitas memoi) yang ada pada saat itu. Metode FDTD didasakan atas pesamaan Maxwell yang meupakan peumusan matematis untuk hukum-hukum alam yang mendasai fenomenafenomena EM. Pedasamaan Maxwell ini meupakan angkuman dai empat hukum mengenai medan listik dan medan magnet, yaitu hukum Faaday, hukum Ampee, hukum Gauss untuk medan listik dan hukum Gauss untuk medan magnet. Keempat hukum tesebut dapat dituliskan baik dalam bentuk integal maupun dalam bentuk diffeensial sebagai beikut.

4 o Hukum Faaday u B u uu = E Jm t u uu uuu uuuu B. ds = E. dl Jm. ds t s c s o Hukum Ampee u D uu uu = H + Je t u uu uuuu uuuu Dds. = Hdl. + Je. ds t s c s o Hukum Gauss untuk medan listik u u uu. D = 0 dan Dds=. 0 o Hukum Gauss untuk medan magnet u u uu. B = 0 dan Dds=. 0 Algoitma FDTD didasakan atas diffeence, dimana keakuasian akan semakin baik bila ukuan sel yang digunakan semakin kecil. Namun, kompensasi yang haus dibaya adalah komputasi akan semakin umit dan membutuhkan esouce compute (kecepatan CPU dan kapasitas memoi) yang sangat tinggi. Untuk mendapatkan esolusi uang yang memadai dalam egion komputasi, sel Yee haus sekecil mungkin, biasanya ukuan sel diambil 1/10 sampai dengan 1/20 dai panjang gelombang tehadap fekuensi tetinggi yang digunakan. Langkahwaktu (time-step) haus dipilih untuk memenuhi kestabilan numeik dai algoitma lompat-katak (leap-fog). Bedasakan teoema kestabilan, langkah-waktu memiliki hubungan matematis dimana adalah kecepatan-ambat gelombang tetinggi dalam uang pemasalahan, biasanya diasumsikan kecepatan cahaya di uang hampa. Bila, maka akan dipeoleh hubungan langkah-waktu dengan langkah-uang sebagai suatu pesamaan yang sedehana beikut ini: PERANCANGAN DAN HASIL SIMULASI Aus input yang digunakan adalah tuunan petama pulsa Gaussian yang mempunyai pesamaan sebagai beikut: () ( t t ) ( t t ) 2 I t 2I exp c c = 0 tw tw Aga antena bekeja pada fekuensi yang diinginkan yaitu MHz atau memiliki f c = 850 MHz, maka input aus adalah: t c = pusat pulsa = 1ns t w = leba pulsa = ns Gamba input aus pada titik catu dalam domain waktu dan fekuensi adalah sebagai beikut: dengan langkah-uang,, dan. Untuk suatu kisi-kisi FDTD 3-dimensi, pesyaatan kestabilan Cuant beikut haus tepenuhi: (a)

5 Softwae yang digunakan adalah FDTD3D sepeti yang telihat dibawah ini: (b) Gamba 1. Pulsa yang dibangkitkan oleh antenna (a) bentuk gelombang, (b) spektum. Dalam penelitian tugas akhi ini diancang dua antena GPR dengan masingmasing memiliki ε yang bebeda, sehingga didapatkan geometi antena sebagai beikut: c lmax = f ε 4 c Maka didapat untuk main antena : l max = = mete= 4.16 cm l max = = mete= 2.21 cm Dengan nilai ini maka panjang main antena yang digunakan adalah 4 cm untuk ε =4.5 dan 2.2 cm untuk ε =16. Optimasi panjang wing antena yang paling sesuai dengan kiteia antena yang diinginkan sepeti yang tetea dibawah: Untuk Main antena 4 cm Untuk wing antena, akan dicai optimasi dengan panjang bevaiasi yaitu 5, 6.25, 7.5, dan 9 cm untuk dicai yang tebaik. Untuk Main max antena 2.21 cm Untuk wing antena, akan dicai optimasi dengan panjang bevaiasi yaitu 2.5, 3.75, 4.5, dan 7.5 cm untuk dicai yang tebaik. Gamba 2. Pulsa Softwae FDTD3D Pada tugas akhi ini antena akan dioptimasi pada 4 titik yaitu feedpoint(1), teminal antena(2), 5 cm dai boadside(3) dan 10 cm dai boadside(4) Z 4 Antenna Unde Test (AUT) X Gamba 3. Titik-titik pengamatan pada simulasi Analisis Hasil Simulasi Untuk Main antena 4 cm (a)

6 (b) Gamba 4. Membandingkan antena dengan wing 5 cm, 6.25 cm, 7.5 cm, dan 9 cm pada (a) jaak 5 cm dai boadside, Gamba(b) pada jaak 10 cm dai boadside. Telihat dai gamba bahwa main antena 4 cm dengan wing antena sepanjang 7.5 cm memiliki kenaikan amplituda yang signifikan tehadap memiliki Late Time Ringing (LTR). Untuk Main antena 2.2 cm (b) Gamba 5. Membandingkan antena dengan wing 2.5 cm, 3.75 cm, 4.5 cm, dan 7.5 cm (a) pada jaak 5 cm dai boadside, Gamba(b) pada jaak 10 cm dai boadside. Telihat dai gamba bahwa main antena 2.2 cm dengan wing antena sepanjang 3.75 cm memiliki kenaikan amplituda yang signifikan tehadap Late Time Ringing (LTR). Setelah didapatkan Wing yang paling optimum, maka selanjutnya akan dilihat kineja antena pada bentuk wie, dan wie dengan loading. Maka hasilnya adalah sebagai beikut: Untuk ε =4.5 dengan main antena 4 cm dan wing antena 7.5 cm (a) (a)

7 Untuk ε =16 dengan main antena 2.2 cm dan wing antena 3.75 cm (b) Gamba 6. Pebandingan [ E ] untuk main 4 cm dan wing 7.5 cm dengan jenis plate, wie, loading (a) jaak 5 cm (b) jaak 10 cm x (a) Pehitungan Medan tehadap LTR (Plate vs Loading) pada jaak 5 cm dai boadside: Ampl= % = % LTR= % = % Telihat bahwa dengan penambahan esisto pada wing antena, amplituda medan mengecil sebesa hampi 15% walaupun begitu penguangan LTR jauh lebih kecil yaitu hampi 136%. Hal sepeti inilah yang dihaapkan dai penambahan esisto. (b) Gamba 7. Pebandingan [ E ] untuk main 2.2 cm dan wing 3.75 cm dengan jenis plate, wie, loading (a) jaak 5 cm (b) jaak 10 cm Pehitungan Medan tehadap LTR pada jaak 5 cm dai boadside: Ampl = 100% = % LTR= 100% = % Telihat bahwa dengan penambahan esisto pada wing antena, amplituda medan mengecil sebesa hampi 56% walaupun begitu penguangan LTR jauh lebih kecil yaitu hampi 59%. Walaupun penguangan LTR jauh lebih x

8 besa daipada Amplituda medan (sesuai haapan), tetapi besanya tidak telalu jauh (hanya kali) jika dibandingkan dengan penguangan LTR tehadap Amplituda medan pada main antena 4 cm yang dapat mencapai kalinya. Impedansi Input Untuk ε =4.5 dengan main antena 4 cm dan flat dibandingkan dengan input impedansi antena bowtie wie tanpa esisto, ini beati konfiguasi antena wie bowtie dengan loading mampu mempebaiki impedansi input antena wie tanpa loading. Untuk ε =16 dengan main antena 2.2 cm dan wing antena 3.75 cm wing antena 7.5 cm Gamba 8. Impedansi input main antena 4 cm dan wing antena 7.5 cm dengan loading Gamba 8 adalah impedansi input dai antena wie bowtie pada saat pembebanan dengan main antena 4 cm. Pada gamba tesebut telihat bahwa esistansi antena bowtie yang diancang elatif flat dan konstan pada haga tetentu sedangkan nilai eaktansinya mendekati nol. Hal tesebut menunjukkan bahwa antena bowtie yang diancang telah memiliki kaaktesitik ultawideband sepeti yang diinginkan dimana nilai esistansinya konstan pada nilai tetentu sedangkan nilai eaktansinya nol. Gamba 9. Impedansi input main antena 2.2 cm dan wing antena 3.75 cm dengan loading Gamba 9 adalah impedansi input dai antena wie bowtie pada saat pembebanan dengan main antena 2.2 cm. Pada gamba tesebut telihat bahwa esistansi antena bowtie yang diancang tidak telalu flat teutama pada entang fekuensi GHz dan sisanya konstan pada haga tetentu sedangkan nilai eaktansinya jika diata-data mendekati nol. Dai gamba tesebut juga telihat bahwa nilai impedansi input dai antena GPR yang dibei esisto, teutama komponen esistansinya, lebih

9 KESIMPULAN Setelah melakukan semua poses peancangan dan simulasi antena GPR yang dioptimasi tehadap entang fekuensi MHz, maka dapat disimpulkan bahwa: 1. Dengan menggunakan analisis FDTD tebukti bahwa antena dapat dioptimasi tehadap duasi pulsa yang dibangkitkan dengan mengatu panjang antena (baik main antena maupun wing antena) sesuai dengan duasi pulsa yang dibangkitkan. 2. Panjang antena yang optimum aga dapat menghasilkan efisiensi adiasi yang maksimum sangat ditentukan oleh nilai duasi pulsa yang dibangkitkan dan pemitivitas elatif epoxy substat yang digunakan sebagai bahan antena. 3. Pembebanan esistif yang diteapkan disepanjang lengan (wing) antena dapat meningkatkan bandwidth antena dan menekan inging yang meugikan kaena dapat menimbulkan efek masking pada objek yang dideteksi. DAFTAR PUSTAKA [1]. Iskande, Magdy F., Electomagnetic Fields and Waves, Pentice Hall, [2]. Judawisasta, Heman, Catatan Kuliah: Antena dan Popagasi, Penebit ITB. [3]. R.W.P.King, G.S.Smith, M.Owens, T.T.Wu, Antennas in matte: fundamental, theoy, and applications, The MIT Pess, Cambidge, [4]. Kaus,John.,Antennas 2 nd ed., McGaw- Hill, [5]. AA.Lestai,A.G Yaovoy, L.P Lighat, Gound Influence on the input Impedance of tansient dipole and bowtie antennas, IEEE tans.antennas Popagate, vol.52,no.8,pp ,aug [6]. A.A. Lestai, Antennas Fo Impoved Gound Penetatimg Rada: Modeling, Tools, Analisys And Design, Ph.D.Dissetation, ISBN , Delft Univesity of Technology, The Nethelands, [7]. A.A. Lestai, A.G. Yaovoy, L. P. Ligthat, Adaptive Antenna fo Gound Penetating Rada, Delft Univesity of Technology, The Nethelands. [8]. A.A. Lestai, A.G. Yaovoy, L.P. Ligthat, RC loaded bow-tie antenna fo impoved pulse adiation, IEEE Tans. An-tennas Popagat., vol. 52, no. 10, pp , Oct [9]. Lestai, A. Andaya, A.G. Yaovoy, L. P. Ligthat, Capasitively Tapeed Bow- Tie Antenna, Delft Univesity of Technology, The Nethelands. [10]. A.A. Lestai, Y.A. Kiana, A.B. Suksmono, E. Bhaata, Ap-plied eseach on Gound Penetating Rada, Bow-tie An-tenna, GPR antenna, Adaptive antenna, Ultawideband an-tennas, Supplemental Repot (Poject ID: IS 03143), no. IRCTR-S , Delft Univesity of Technology, The Nethelands, Dec [11]. Josaphat Tetuko Si Sumantyo, Ph.D, Metoda Beda Beda Hingga Hingga

10 Kawasan Kawasan Waktu Waktu (Finite Diffeence Time Domain Method), Penebit ITB. [12]. T.T.Wu, R.W.P.King, The cylindical antenna with non eflecting esistiv loading, IEE Tans.Antennas Popagat., vol.ap-13, no.5, pp , May [13]. Wawan Sapudin, Optimasi Geometi Metalic Shielding pada Antena Bowtie yang Dimodifikasi untuk Aplikasi GPR dengan Metode FDTD, Tugas Akhi, ITB, 2004.